Numerical study of curved-mesh tailoring of free-surface shear profile

Abstract

Krummede nettinger blir ofte brukt til å endre hastighetsprofilet i testområdet i eksperimentelle anlegg. De eksisterende uttrykkene som kan brukes til å bestemme formen på nettingen, gitt strømningsforholdene opp- og nedstrøms av testområdet, er dessverre kun gyldig for små endringer i hastighetsprofilet over nettingen. Mye tid kan derfor ende opp med og brukes på å bestemme formen på nettingen som produserer det ønskede hastighetsprofilet med tilstrekkelig nøyaktighet. Målet for denne masteroppgaven er derfor å lage en CFDmodell som kan simulere strømning over krummede nettinger med tilstrekkelig nøyaktighet innen rimelig tid. Denne modellen vil videre brukes til å undersøke hvordan hastighetsprofilet nedstrøms for nettingen endrer seg ved å endre formen på nettingen, innløpshastigheten og vanndybden ved bruk av CFD programmet ANSYS Fluent 19.2.

Å løse opp alle strømningsstrukturene som oppstår i en strømning over en netting viste seg å være en svært tidkrevende beregningsoppgave. Det ble derfor bestemt å modellere strømningsmotstanden som introduseres av en netting ved bruk av porøst medium modellen (PMM) i ANSYS Fluent, hvor nettingen byttes ut med et porøst område. Empiriske sammenhenger for trykktapet over en netting ble brukt til å tilnærme tapsleddene som må spesifiseres i PMM.

En modell for strømning i lukket kanal ble brukt til å verifisere at PMM modellerte strømningsmotstanden til en fysisk netting nøyaktig. Modellen ble verifisert ved å sammenligne hastighetsprofilet fra CFD-simuleringene med hastighetsprofilet predikert av en teoretisk sammenheng. Denne sammenligningen viste en nesten perfekt sammenheng mellom hastighetsprofilene.

Doktorgradsstudenten Benjamin Smeltzer bidro med eksperimentelle data som ble brukt til å validere CFD-modellen for strømning i åpen kanal over en krummet netting. Hastighetsprofilet fra CFD-modellen viste seg å predikere hastighetsprofilet fra de eksperimentelle dataene med tilstrekkelig nøyaktighet.

Etter å ha verifisert og validert CFD-modellen nøye, ble det undersøkt hvordan enkelte endringer påvirket hastighetsprofilet nedstrøms for nettingen. Simuleringene viste at: * Å gjøre en netting mer konveks, sett av strømningen, resulterer i et mer konkavt hastighetsprofil og reduserer styrken på skjærprofilet nær den frie overflaten. * Å gjøre en netting mer konkav, sett av strømningen, resulterer i et mer konvekst hastighetsprofil og øker styrken på skjærprofilet nær den frie overflaten. * For rette nettinger vil en økning i vinkelen mellom normal vektoren til nettingen og strømningsretningen resultere i en større endring i hastighetsprofilet over nettingen. * En økning i innløpshastigheten vil redusere endringen i hastighetsprofilet over nettingen. * Å endre vanndybden, uten å endre andre parametre, viste seg å ikke ha noen effekt på det normaliserte hastighetsprofilet. Dette resultatet er dog ikke antatt å være generelt.

Curved screens are often used to transform the velocity profile in the test section of experimental facilities. The existing relations for determining the screen shape given the flow conditions upstream and the desired flow conditions in the test section are, unfortunately, limited to moderate changes in the velocity profile. Hence, a lot of time may be spent on trying to determine a screen shape that adequately accurate produces the desired velocity profile. The aim of this thesis is therefore to construct a computational fluid dynamics (CFD) model that accurately simulates flows passing through curved screens within a reasonable amount of time. This model will be used to study how the downstream velocity profile is affected when changing the screen shape/curvature, inlet velocity, and water depth using the commercial CFD solver ANSYS Fluent 19.2.

Resolving all flow structures that are present in flows passing through screens proved to be a computationally intensive task. It was therefore decided to model the flow resistance introduced by a screen using the porous media model (PMM) in ANSYS Fluent, such that the screen was substituted by a porous region. Empirical relations for the pressure drop over screens were used to approximate the loss factors that need to be specified in the PMM. A closed channel model was created to verify that the PMM accurately modelled the flow obstruction introduced by a physical screen. The verification of the model was performed by comparing the velocity profile resulting from CFD-simulations, using several screen shapes, with the velocity profile predicted by a theoretical relation. This comparison showed that the agreement between the two was almost perfect.

Experimental data provided by PhD Candidate Benjamin Smeltzer was used to validate the CFD-model for open channel flows. Comparison between the measured velocity profile and the profile resulting from the CFD-model showed an adequate agreement between the two.

After the CFD-model had been carefully verified and validated, several cases investigating how certain changes affected the velocity profile downstream of the screen were tested. Simulations showed that: * Making a screen more convex, as perceived by the flow, results in an even more concave velocity profile and a decrease in the shear in the region near the free-surface. * Making a screen more concave, as perceived by the flow, results in an even more convex velocity profile and an increase in the shear in the region near the free-surface. * For a straight screen, an increase in the angle between the screen normal vector and the streamwise direction results in a greater change in the velocity profile over the screen. * Increasing the inlet velocity will decrease the change in the velocity profile over the screen. * Changing the water depth, keeping all other parameters constant, gave no effects on the normalized velocity profile. This result is though not assumed to be general.